Методы управления бесколлекторными (BLDC) моторами
Методы управления бесколлекторными (BLDC) моторами
Синусоидальное управление BLDC двигателем
- используются датчики положения ротора (датчики Холла, энкодеры) для определения углового положения ротора и формирования синусоидального напряжения на обмотках статора, основано на формировании синусоидального тока в обмотках статора, что позволяет получить плавное вращение ротора.
- Используются датчики положения ротора - датчики Холла или энкодеры, которые определяют текущее угловое положение ротора.
- На основе сигналов датчиков формируются три синусоидальных сигнала управления для каждой из трёх обмоток статора. Сигналы сдвинуты по фазе на 120 градусов.
- Эти сигналы через ШИМ-модуляцию подаются на транзисторы инвертора, который формирует соответствующее напряжение на обмотках.
- Ток в обмотках имеет синусоидальную форму и создаёт вращающееся магнитное поле, которое плавно вращает ротор.
- Изменение амплитуды и частоты синусоид позволяет регулировать скорость и момент двигателя.
Такое управление обеспечивает плавную работу двигателя на разных скоростях, но требует использования датчиков положения.
Используется в приводах, где нужна высокая точность и плавность хода на всех скоростях - например, в робототехнике, CNC станках, промышленных механизмах.
Векторное управление - основано на математической модели двигателя, позволяет регулировать момент и скорость независимо. Требует датчиков положения и тока.
Основано на раздельном управлении потокосцеплением и моментом путем воздействия на токи статора во взаимно перпендикулярных осях.
Основные особенности векторного управления:
- Используется математическая модель двигателя, позволяющая разделить ток статора на составляющие - потокосцепление и момент.
- Требуются датчики тока и датчики положения ротора (энкодер или датчики Холла).
- С помощью регуляторов тока формируется такая система напряжений на обмотках, чтобы получить нужные токи - потокосцепления и момента.
- Регулируя эти составляющие тока независимо, можно управлять скоростью и моментом двигателя.
- Обеспечивается линейная зависимость момента от тока, что даёт хорошую динамику.
- Более сложная система управления, но позволяет точно и независимо регулировать скорость и момент.
- Широко используется в servo-приводах, где нужно высокое качество управления.
Таким образом, векторное управление дает лучшую динамику и управляемость, но требует использования датчиков и сложных алгоритмов.
Применяется в высокоточных сервоприводах, которые должны обеспечивать широкий диапазон регулирования скорости и момента - промышленные роботы, станки ЧПУ, приводы подачи.
Скалярное управление - без датчиков положения, управление напряжением на обмотках по заданным алгоритмам для регулировки скорости. Менее точное по сравнению с векторным.
Скалярное управление BLDC двигателем основано на изменении напряжения питания обмоток статора без раздельного управления потокосцеплением и моментом.
Основные особенности скалярного управления:
- Не требуется использование датчиков положения ротора и датчиков тока.
- Управление осуществляется путем изменения напряжения на обмотках статора с помощью ШИМ.
- Для изменения направления вращения меняется порядок подключения обмоток к источнику питания.
- Регулирование скорости происходит изменением частоты ШИМ или амплитуды напряжения.
- Момент на валу нелинейно зависит от напряжения и частоты.
- Хорошо подходит для применений, не требующих высокой точности управления.
- Более простая и дешёвая система управления по сравнению с векторным и синусоидальным методами.
- Может применяться в вентиляторах, насосах и другом оборудовании без жёстких требований к динамике.
Таким образом, скалярное управление имеет преимущество в простоте и низкой стоимости, но уступает по точности управления скоростью и моментом.
Используется в применениях, не требующих высокой точности - вентиляторы, насосы, бытовая техника, игрушки. Простота и низкая стоимость.
Сенсорлесс (бездатчиковое) управление - основано на определении положения ротора без использования датчиков положения положение ротора, определяется по ЭДС на обмотках. Нужна начальная синхронизация.
Основные особенности:
- Не используются датчики положения ротора (энкодер, датчики Холла). Это удешевляет и упрощает конструкцию.
- Положение ротора определяется косвенно - по измерению ЭДС обмоток статора в режиме холостого хода.
- На начальном этапе требуется синхронизация - определение начального положения ротора.
- Во время вращения положение отслеживается путём интегрирования сигналов ЭДС обмоток.
- Управление осуществляется подачей напряжения на обмотки статора в зависимости от текущего рассчитанного положения ротора.
- Точность определения положения ротора ниже, чем при использовании датчиков.
- Применяется в случаях, когда не нужна очень высокая точность, либо когда датчики невозможно использовать. Например, беспилотные летательные аппараты.
Таким образом, сенсорлесс управление позволяет упростить конструкцию и снизить стоимость привода, но ценой более низкой точности определения положения ротора.
Управление BLDC двигателями с использованием ШИМ (широтно-импульсной модуляции) является распространенным методом, позволяющим эффективно регулировать скорость и момент.
Основные особенности ШИМ управления:
- Питание обмоток статора осуществляется импульсами напряжения с изменяемой скважностью.
- Изменение среднего значения напряжения на обмотках позволяет регулировать скорость вращения.
- Частота ШИМ обычно лежит в диапазоне 5-20 кГц, что исключает слышимый шум двигателя.
- Наличие высоковольтных импульсов позволяет эффективно использовать маломощные транзисторы в инверторе.
- ШИМ может применяться совместно с другими алгоритмами управления (векторное, скалярное, сенсорлесс и др.)
- Позволяет плавно регулировать скорость, прост в реализации.
- Требует использования микроконтроллера для формирования ШИМ сигналов управления транзисторами инвертора.
Таким образом, ШИМ управление является эффективным способом контроля BLDC двигателей, широко используемым на практике.
Может применяться совместно с другими алгоритмами управления для эффективной регулировки скорости. Является наиболее распространённым на практике.
В беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) чаще всего используются следующие методы управления BLDC двигателями:
- Сенсорлесс (бездатчиковое) управление - наиболее распространенный метод, так как не требует использования датчиков положения ротора, которые усложняют конструкцию и снижают надежность. Положение ротора определяется по ЭДС обмоток.
- Скалярное управление - также довольно часто применяется благодаря простоте реализации. Обеспечивает приемлемое качество управления для БПЛА.
- Векторное управление - используется на дорогих БПЛА, где предъявляются повышенные требования к точности управления полетом.
- Синусоидальное управление - применяется редко, так как требует наличия датчиков положения ротора.
- ШИМ - используется во всех вариантах для эффективной регулировки скорости в широком диапазоне.
Также в БПЛА часто используются специальные алгоритмы управления, разработанные под конкретную модель двигателя и летательного аппарата.
Выбор конкретного метода зависит от требований к двигателю, наличию датчиков, стоимости и других факторов.